劉巖磊，王慶來

(河北人地生態(tài)工程有限公司，河北石家莊050081)

不同流場情況下地下水彌散試驗方法分析

劉巖磊，王慶來

(河北人地生態(tài)工程有限公司，河北石家莊050081)

針對不同地下水水力梯度進行地下水彌散試驗采用不同的方法，直接影響到彌散試驗的成功及獲取參數(shù)的準確性及真實性。其中在不同的水力梯度下采用不同的監(jiān)測時間間隔監(jiān)測示蹤劑濃度，決定了彌散試驗捕捉到示蹤劑的初至及峰值的成功機率。同時本項目詳細地進行了地下水彌散試驗求參過程完整性分析，可做為彌散試驗參考實例。

彌散試驗;地下水水力梯度;試驗方法;準確性

1 試驗目的

地下水環(huán)境影響評價主要研究排放、滲漏污水或回灌水的水質(zhì)對地下水水質(zhì)影響的預測與評價，以控制或預防地下水污染的發(fā)生。做好地下水水質(zhì)預測與評價需要建立必要的地下水水質(zhì)數(shù)學模型，而地下水彌散系數(shù)(度)即是建立這個模型的一個重要的參數(shù)。

地下水彌散系數(shù)是表征污染物質(zhì)在地下水中運移傳播的一種參數(shù)，地下水溶質(zhì)在含水層中隨地下水流向運移彌散。污染物質(zhì)彌散是有方向性的，它主要是沿地下水流的水動力作用方向而彌散，在地下水流速大的情況下，以縱向彌散為主，其次是沿垂直地下水流方向的橫向彌散。

地下水彌散系數(shù)的確定一般均借助于示蹤劑注入試驗來實現(xiàn)，要求獲得注入井周圍各觀測孔在不同時段內(nèi)的水頭，流速及示蹤劑濃度分布，了解污染物在地下水中的遷移擴散能力，然后根據(jù)試驗的具體條件，再計算出彌散系數(shù)。試驗一般是通過野外彌散或室內(nèi)土柱實驗確定，但是由于彌散系數(shù)的尺度效應，野外試驗能較直觀的反應污染場地的彌散系數(shù)。

2 現(xiàn)場彌散試驗設計

2.1 示蹤劑種類

目前用于測定地下水彌散系數(shù)的示蹤劑有:

2.1.1 含氯離子的鹽類

一般使用NaCl，在注入井含水層位上投入與地下水環(huán)境氯離子背景值有顯著濃度差異的NaCl溶液，在觀測井中定深度取水樣測定氯離子濃度。

2.1.2 熒光素示蹤劑

它采用取樣法比色測定，其缺點是熒光素能強烈地被含水層固相所吸附，且不能直接測量，大大增加了工作量，也不易成功。

2.1.3 同位素示蹤劑

按照示蹤周期的長短，選擇不同半衰期的示蹤劑如131I、82Br、51Cr－EDTA等。因放射性性源的管理嚴格，且需要專用儀器設備和人員，因此，在一般情況下不宜使用。

2.2 示蹤劑的選擇及投放方法

本次試驗選用NaCl作為示蹤劑。NaCl成本較低，經(jīng)濟合理;其隨水流運移不宜被含水層吸附，不改變地下水流向;在觀測時間內(nèi)其化學性質(zhì)穩(wěn)定，不影響環(huán)境，其濃度不影響人類健康，無毒無害。

本次試驗場區(qū)位于戴河沖洪積階地及溝谷中，地下水實驗層位為淡水，CL離子濃度背景值在5.03～20.39 mg/L。因此本次工作采用了高濃度的NaCl溶液作為示蹤劑進行彌散試驗，以監(jiān)測地下水中電導率的變化作為實驗結(jié)果分析依據(jù)。實驗結(jié)果表明，在本次試驗中電導率的變化曲線是比較明顯符合理論曲線的，實驗結(jié)果也與理論計算結(jié)果較為接近，因此在該地區(qū)利用NaCl溶液作為示蹤劑是可行的。

示蹤劑的投放方式采用瞬時投入法，即直接從投源井將溶解好的高濃度NaCl溶液投入含水層中，并在實驗過程中在投源井中攪拌井水，使井水一直處于均勻狀態(tài)，并持續(xù)觀測電導率的變化。

2.3 測試方法及測試設備

野外現(xiàn)場直接在監(jiān)觀測井中取水樣采用常規(guī)的滴定法測定氯離子濃度不太方便，且易造成人為誤差，因此采用便攜多參數(shù)快速水質(zhì)分析儀直接測定井中電導率值。并根據(jù)室內(nèi)滴定法測定氯離子濃度與其電導率值具有線性關系的特征，利用相關方程可將電導率值換算成氯離子濃度值。

2.4 彌散試驗設計

地下水彌散試驗分為天然流場和人工流場兩種試驗，其中天然流場試驗更接近實際，結(jié)果更為準確，現(xiàn)場工程應根據(jù)水文地質(zhì)條件的適宜性選擇相應的方法進行試驗。為了確定建設項目場地內(nèi)地下水含水層的彌散參數(shù)、建立地下水溶質(zhì)運移模型、預測污染物在地下水中的運移狀況，本次彌散試驗研究共布設兩組野外彌散試驗，采用多孔試驗法，用高濃度NaCl溶液作為示蹤劑進行彌散試驗。野外彌散試驗基本資料情況見表1。

表1 野外彌散試驗基本資料一覽表

本次試驗朱峪貯灰場位于山谷中開闊部位，地下水為第四系松散孔隙潛水，巖性為粗砂卵礫石層，水位埋深1.2 m，水流方向南西196°，地下水天然水力坡度3.211%，試驗場地地下水流向清楚，地下水條件適宜，因此采用天然流場條件，進行了野外彌散試驗。在建設項目朱峪貯灰場場址壩址部位布置了一組3個孔的彌散試驗孔(見圖1)，其中一個井孔作為投源井，二個井孔做監(jiān)測孔，用來觀測示蹤劑NaCl的濃度。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用配線法求得彌散度，以最終確定其彌散系數(shù)。

圖1 朱峪彌散試驗場地投源井、監(jiān)測井布置圖

本次試驗下徐各莊主廠區(qū)位于戴河支流沙河階地上，地下水為第四系松散孔隙水，巖性為中粗砂含少量卵礫石，埋深在6 m以下，具微承壓水，據(jù)場區(qū)地下水普測，水流方向大致南西251°，地下水天然水力坡度0.105 4%，試驗場地地下水流向清楚，地下水坡度較小，根據(jù)工程適宜性，因此采用抽水試驗附加人工流場，進行了野外彌散試驗。在建設項目下徐各莊主場區(qū)西南角布置了一組4個孔的彌散試驗孔(見圖2)，其中一個井孔作為投源井，一個井孔做抽水孔，三個井孔做監(jiān)測孔，用來觀測示蹤劑NaCl的濃度。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用配線法求得彌散度，以最終確定其彌散系數(shù)。

圖2 下徐彌散試驗場地投源井、監(jiān)測井布置圖

3 試驗過程簡述

3.1 彌散試驗執(zhí)行前準備工作

1)試驗前認真檢查投源井與觀測井之間地下水流是否暢通無阻。

2)檢查儀器靈敏度，備好測試工具。

3)現(xiàn)場溶解NaCl，制成高濃度溶液作為示蹤劑。

4)在投源前，分別測定觀測井中的地下水電導率背景值。

3.2 彌散試驗

本次試驗朱峪采用天然流場做野外彌散試驗，彌散試驗從2013年04月8日開始試驗進行了四天。

本次試驗下徐各莊采用穩(wěn)定流抽水附加人工流場做野外彌散試驗，正式彌散試驗從2013年04月14日開始試驗進行了五天。

在試驗開始前(示蹤劑投放前)，首先采用在抽水孔中進行定流量抽水使地下水位基本達到穩(wěn)定狀態(tài)(或保持天然流場)，同時測定各井孔的穩(wěn)定水位、穩(wěn)定流抽水量和地下水中Cl－離子的背景(本底)濃度及背景電導率值。

試驗開始時，在距抽水孔較遠的投源孔中，將配制好的高濃度示蹤劑NaCl溶液快速(2 min以內(nèi))注入含水層中，并攪拌使其盡可能上下均勻。

示蹤劑投放后，在各監(jiān)測孔中分別觀測其定深度的地下水Cl－離子濃度變化。每隔一定時間在監(jiān)測孔和抽水井中定深度取水樣，現(xiàn)場檢測電導率變化情況，當檢測到電導率顯著變化后，開始加密觀測。

監(jiān)測孔的監(jiān)測時間頻率必須考慮不同的水力梯度，當水力梯度較大時，必須按小步長增加初時時間段的觀測頻率;如本項目朱峪溝谷中為砂卵石層，地下水流動性好，水力梯度較大，開始監(jiān)測時間間隔采用10～20 min，成功捕捉到示蹤劑的初至及峰值;而下徐各莊場區(qū)含水層巖性性為中粗砂為主，天然水力梯度較小，采用人工流場，觀測時間間隔采用30 min，也成功捕示蹤劑的初至及峰值。

野外利用電導率儀測定水樣電導率的變化情況，繪制樣品電導率隨時間的變化曲線?，F(xiàn)場試驗的延續(xù)時間應根據(jù)電導率隨時間的變化關系曲線來確定，要求水樣的電導率從背景值達到峰值并且再次逐漸降低到起始背景值。本項目試驗中，監(jiān)測孔中電導率隨時間的變化過程見“彌散試驗電阻率—時間曲線”圖3、圖4、圖5。

圖4 彌散試驗電阻率—時間曲線(下徐各莊2號孔)

圖5 彌散試驗電阻率—時間曲線(下徐各莊4號孔)

在現(xiàn)場取水樣測定電導率的同時，選取一系列具代表的的水樣，室內(nèi)檢測測定Cl－離子濃度，利用相關分析法確定Cl－離子濃度與電導率的相關關系。相關分析表明本項目彌散試驗Cl－離子濃度與電導率具線性相關關系。

分析結(jié)果，朱峪貯灰場彌散試驗Cl－離子濃度與電導率具線性相關，其相關分析見圖6，相關系數(shù)為0.997 8，相關方程為:

式中:Y為Cl－濃度(mg/l);X為電導率(ms)。

分析結(jié)果，下徐各莊 主場區(qū)彌散試驗Cl－離子濃度與電導率具線性相關，其相關分析見圖7，相關系數(shù)為0.991 4，相關方程為:

式中:Y為Cl－濃度(mg/l);X為電導率(ms)。

圖6 彌散試驗Cl離子濃度－電阻率線性相關曲線(朱峪)

圖7 彌散試驗Cl離子濃度－電阻率線性相關曲線 (下徐各莊)

4 地下水彌散度計算

本項目野外彌散試驗可近于二維彌散數(shù)學模型中瞬時點注入法測定彌散系數(shù)，可采用平面均勻流溶質(zhì)運移方程來求解彌散度(式1):

式中:C為示蹤劑濃度(M/L3);t為時間(T);DL為縱向彌散系數(shù)(L2/T);DT為橫向彌散系數(shù)(L2/T);v為地下水實際平均流速(L/T);M為注入示蹤劑的質(zhì)量;n為有效孔隙度

設 DL=αL|v|，DT=αT|v|

αL是縱向彌散度(L)，αT是橫向彌散度(L)。該定解問題的解為(式2)(Fried，et al.，1971，Sauty，1980):

Cmax是c(t)濃度變化曲線的峰值。C0是示蹤劑的背景濃度。

在實測彌散曲線圖中，CR=1時對應的t值即為tm。

實際采用標準曲線配線法來求解彌散度。在監(jiān)測井中監(jiān)測示蹤劑濃度C的變化規(guī)律，由于NaCl的電導率X與其濃度C呈線性關系，所以可直接用電導率X代替濃度C參加計算，或換算成Cl離子濃度－時間曲線。將濃度C換成無量綱量CR:

將CR與相應觀測時間t值繪在其尺度與標準曲線(圖8)相同的透明半對數(shù)紙上，然后將該圖置于標準曲線圖8上，使兩圖橫坐標重合，左右移動透明圖紙，直到大部分實測點落在某一條標準曲線上時即為配好，由配線法求得最佳α值。再根據(jù)公式(8)、(9)、(10)求得所需要的值。

朱峪由ZK2監(jiān)測井中測得數(shù)據(jù)做出相應的彌散曲線(圖9)～(圖11)進行配線，所得到最佳的α1值為10。

觀測井ZK2與投源井ZK1距離為4.37 m，由公式(式8)求得縱向彌散度αL為0.437 m。

圖8 瞬時點注入法求縱向、橫向彌散系數(shù)標準曲線

圖9 彌散試驗換算Cl離子濃度－時間曲線(朱峪2號)

圖10 彌散試驗無因次濃度－時間對數(shù)曲線(朱峪2號鉆孔)

圖11 彌散試驗標準曲線配線曲線(朱峪2號鉆孔)

下徐各莊由ZK2監(jiān)測井中測得數(shù)據(jù)做出相應的彌散曲線(圖12)～(圖14)進行配線，所得到最佳的α1值為20。

觀測井ZK2與投源井ZK1距離為2.95 m，由公式(式8)求得縱向彌散度αL為0.147 5 m。

圖12 彌散試驗換算Cl離子濃度－時間曲線(下徐各莊2號)

圖13 彌散試驗無因次濃度－時間對數(shù)曲線(下徐各莊2號)

圖14 彌散試驗標準曲線配線曲線(下徐各莊2號孔)

下徐各莊由ZK4監(jiān)測井中測得數(shù)據(jù)做出相應的彌散曲線(圖15)～(圖17)進行配線，所得到最佳的溶質(zhì)綜合彌散無量綱參數(shù)aT值為40。

監(jiān)測井ZK4與投源井 ZK1距離為 dx=3.787 m，dy=1.378 3 m，已知縱向彌散度 αL為 0.147 5 m，由公式(式 9)求得橫向彌散度αT為0.013 69 m。

圖15 彌散試驗換算Cl離子濃度－時間曲線(下徐各莊4號)

圖16 彌散試驗無因次濃度－時間對數(shù)曲線(下徐各莊4號)

圖17 彌散試驗標準曲線配線曲線(下徐各莊4號)

5 彌散系數(shù)的確定

在單孔中采用示蹤稀釋方法測定含水層中地下水的滲透流速已有許多研究成果。Fox(1952)、Moser(1957)、Ogilvi(1958)描述了孔中測井的稀釋技術(shù)的原理及其應用對于任何種類的示蹤劑，當不考慮垂向流、稀釋段內(nèi)各點濃度保持相等、示蹤劑濃度很低等假定條件時，存在如下關系:

式中νf為滲透流速;r為投放鉆孔半徑;a為流場畸變校正系數(shù)，一般取0.5～2.0;N0為t=0時示蹤劑的投放濃度;N為投放時間△t時刻后示蹤劑濃度。

因此地下水實際平均流速ν可根據(jù)投放孔的濃度的衰減值用下列公式求得:

式中:C0為示蹤劑本底背景值(mg/L);C1為投入示蹤劑后投放孔的示蹤劑濃度(mg/L);C2為△t時刻后投放孔的示蹤劑濃度(mg/L);n為有效孔隙度。

朱峪彌散試驗投放孔直徑 d=0.50 m，有效孔隙度取0.16，a流場畸變校正系數(shù)取 2.0，濃度本底值取 15.10 mg/L，計算地下水實際平均流速見下表:

時間△t(d)0 0.239 5 1.041 6 Cl－濃度(mg/L)10 800.0 1 048.2 288.0地下水實際平均流速ν(m/d)11.935 4.302

計算得朱峪彌散試驗地下水實際平均流速為8.118 m/d?？捎嬎?

縱向彌散系數(shù) DL=αLν =0.437 m ×8.118 m/d=3.547 m2/d。

下徐各莊彌散試驗投放孔直徑d=0.23 m，有效孔隙度取 0.15，a流場畸變校正系數(shù)取 2.0，濃度本底值取 20.14 mg/L，計算地下水實際平均流速見下表:

－ 2.906 2.448 1.567時間△t(d)15 384.0 803.0 505.4 255.5地下水實際平均流速ν(m/d)0 0.612 5 0.843 7 1.594 7 Cl－濃度(mg/L)

計算得下徐各莊彌散試驗地下水實際平均流速為2.307 m/d?？捎嬎?

縱向彌散系數(shù) DL=αLν=0.147 5 m ×2.307 m/d=0.340 2 m2/d

橫向彌散系數(shù) DT=αTν=0.013 69 m ×2.307 m/d=0.031 58 m2/d

通過本次工作的理論計算和現(xiàn)場彌散試驗結(jié)果表明，其縱向彌散度的數(shù)值較為接近相關經(jīng)驗值，說明野外彌散驗證試驗是成功的。同時，野外試驗所得數(shù)據(jù)與理論曲線的配線也相對應正確。因此，本次工作最終可采用野外彌散試驗的結(jié)論進行預測。

6 結(jié)語

1)本項目詳細地進行了地下水彌散試驗求參過程完整性分析，可做為彌散試驗參考實例。

2)彌散試驗監(jiān)測孔的監(jiān)測時間頻率必須考慮不同的地下水水力梯度。當水力梯度較大時，必須縮小觀測時間間隔，按小步長增加初時時段的觀測頻率;如本項目朱峪溝谷中為砂卵石層，地下水流動性好，水力梯度較大，開始監(jiān)測時間間隔采用10～20 min，成功捕捉到示蹤劑的初至及峰值;而下徐各莊場區(qū)含水層巖性性為中粗砂為主，天然水力梯度較小，采用人工流場，觀測時間間隔采用30 min，也成功捕示蹤劑的初至及峰值。

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Analysis of Groundwater Dispersion Testing Methods for Different Flow Fields

LIU Yan－lei，WANG Qing－lai
(Geo－ ecological Engineering Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050081，hebei)

In the groundwater dispersion test，the test method should be changed along with variations of hydraulic gradient to ensure the success of the test and the accuracy of parameters.For example，when the interval of tracer concentration monitoring varies，the possibility of getting the staring value and peak value is different.In the project，a detailed procedure of parameter obtaining has been analyzed，which can be used as a reference for other dispersion test.

Dispersion Test;Test Method;groundwater hydraulic gradient and accuracy.

P641.12

A

1004－1184(2014)02－0010－04

2013－12－31

劉巖磊(1980－)，男，河北石家莊人，工程師，主要從事地質(zhì)災害評估、礦山環(huán)境治理、地下水環(huán)境評價。